接于弱電網(wǎng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機在定子故障情況下的無功功率控制策略

孫麗玲，邢東霞

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

0 引言

我國風(fēng)能資源豐富的地區(qū)通常地處偏遠(yuǎn)，風(fēng)機需經(jīng)過較長的輸電線路或電纜連接到電網(wǎng)[1]，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱的弱電網(wǎng)。弱電網(wǎng)對風(fēng)機輸出無功/有功功率的變化較為敏感[2]，易出現(xiàn)風(fēng)機并網(wǎng)點PCC(Point of Common Coupling)電壓的穩(wěn)定性問題。而雙饋感應(yīng)發(fā)電機DFIG(Doubly-Fed Induction Generator)所具有的功率解耦控制功能可擴大無功功率的調(diào)節(jié)范圍以維持PCC電壓的穩(wěn)定性。

目前，諸多學(xué)者針對DFIG的相關(guān)控制策略展開了深入的研究。文獻(xiàn)[3-5]為了充分發(fā)揮風(fēng)電機組的無功調(diào)節(jié)能力，對雙饋風(fēng)機的無功功率極限進(jìn)行了深入的研究，但未考慮DFIG有功波動對輸出無功的影響；文獻(xiàn)[6]對雙饋風(fēng)機無功參與系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的問題進(jìn)行了探討，并提出了相應(yīng)的控制策略；文獻(xiàn)[7-9]依據(jù)無功/有功的關(guān)系，提出了綜合考慮無功補償裝置和風(fēng)機自身無功以實現(xiàn)風(fēng)電場靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性。需要注意的是，文獻(xiàn)[6-9]著重于雙饋風(fēng)機接入大電網(wǎng)的情況，并未計及長輸電線路給電壓穩(wěn)定性帶來的影響。在實際工程中，線路阻抗要消耗大量無功，研究弱電網(wǎng)下雙饋感應(yīng)風(fēng)機的運行特性，減小PCC處的電壓波動程度具有實用價值。就目前而言，僅有少量文獻(xiàn)對這一問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10]闡述了線路阻抗參數(shù)和電網(wǎng)強弱程度對風(fēng)機輸出有功、無功及電網(wǎng)電壓的影響；文獻(xiàn)[11]提出了一種自適應(yīng)電壓控制策略以維持DFIG接入弱電網(wǎng)后PCC電壓的穩(wěn)定性。

上述文獻(xiàn)的研究重點在于：風(fēng)電場及風(fēng)機針對電網(wǎng)不平衡或波動所采取的控制措施，并未考慮DFIG本身故障對PCC電壓穩(wěn)定性的影響。定子匝間短路SWITSC(Stator Winding Inter-Turn Short Circuit)作為DFIG的常見故障，是一種漸進(jìn)性的故障[12]，即SWITSC故障需要經(jīng)歷一定的時間才能發(fā)展、惡化為接地或相間短路故障進(jìn)而觸發(fā)繼電保護(hù)裝置并停機。文獻(xiàn)[13]提供了一個實際例證：一臺感應(yīng)電動機(與DFIG同為感應(yīng)電機，具有類似的結(jié)構(gòu)、材料、工藝等)發(fā)生SWITSC故障后，仍然持續(xù)全壓運行750h(期間啟動67次)。這就意味著，DFIG是可以帶SWITSC故障運行的[14]，并且位于弱電網(wǎng)環(huán)境中的風(fēng)機難以及時得到檢修和維護(hù)，這使DFIG帶故障運行的概率增加。因此，分析DFIG的SWITSC故障對弱電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響，據(jù)此研究DFIG的無功控制策略以維持PCC電壓的穩(wěn)定性具有必要性。

本文首先在MATLAB/Simulink中搭建了含弱電網(wǎng)、DFIG(正常與發(fā)生SWITSC故障)的仿真模型，通過仿真結(jié)果及理論分析驗證了DFIG的SWITSC故障對PCC電壓穩(wěn)定的影響。然后，提出了一種改進(jìn)的DFIG輸出無功功率控制策略以遏制SWITSC故障下PCC電壓的降落，并通過仿真結(jié)果驗證了其有效性。

1 DFIG的SWITSC故障對PCC處電壓的影響

1.1 仿真模型

本文所研究的弱電網(wǎng)模型與文獻(xiàn)[10-11,15]相同，均是由理想電壓源、長輸電線路及DFIG組成的簡單弱電網(wǎng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，Zweak為輸電線路阻抗；Ur為大電網(wǎng)電壓；Upcc為PCC處電壓；Pt、Qt分別為風(fēng)電場輸出的有功與無功功率。由于弱電網(wǎng)沒有統(tǒng)一定義，本文采用短路容量比SCR(Short Circuit Ratio)，即PCC處的短路容量與DFIG的額定功率之比表示電網(wǎng)強弱程度，若SCR小于10，則電網(wǎng)為弱電網(wǎng)[16]。

圖1 弱電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of weak network

DFIG的SWITSC故障主要由過電壓引起，而大部分過電壓是由定子的第一個線圈承受，其故障模型見圖2，采用短路匝數(shù)比表示其故障嚴(yán)重程度[12-14]。將含SWITSC故障的風(fēng)機接入弱電網(wǎng)得到本文的研究模型，文獻(xiàn)[14]已詳細(xì)介紹了正常運行、發(fā)生SWITSC故障下的DFIG模型，本文不再贅述。

圖2 定子A相繞組匝間短路故障示意圖Fig.2 Schematic diagram of SWITSC in phase-A

1.2 仿真分析

對上述系統(tǒng)在MATLAB/Simulink中進(jìn)行仿真，設(shè)置DFIG發(fā)生SWITSC故障的時間為1s。設(shè)置輸電線路阻抗比為1、SCR值為10、短路匝數(shù)比為0.4，系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖3(縱軸為標(biāo)幺值)。詳細(xì)的模型數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[17]，其中DFIG的主要參數(shù)如下：額定電壓為575V，定子每相電阻為0.023p.u.，轉(zhuǎn)子每相電阻為0.016p.u.，定子每相漏感為0.18p.u.，轉(zhuǎn)子每相漏感為0.16p.u.，定轉(zhuǎn)子間互感為2.9p.u.。

圖3 SWITSC故障對弱電網(wǎng)的影響Fig.3 Influence of SWITSC fault on weak network

從圖3可知，DFIG發(fā)生SWITSC故障，使PCC處電壓低于額定值。而這一現(xiàn)象是由風(fēng)機發(fā)生故障引起有功輸出減小導(dǎo)致的。為了保證該點的電壓水平，DFIG輸出的無功容量增加，但DFIG的無功調(diào)節(jié)能力未被充分利用，所以PCC處電壓仍然出現(xiàn)降落。

1.3 理論分析

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，DFIG發(fā)生SWITSC故障會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩減小，即DFIG輸出有功減小，與本文仿真結(jié)果一致。

忽略電壓降落橫分量，分析圖1所示的弱電網(wǎng)系統(tǒng)可得：

(1)

其中，X、R分別為輸電線路電抗與電阻。

根據(jù)式(1)，在電網(wǎng)與PCC電壓保持穩(wěn)定的情況下，Qt、Pt與R/X及SCR的關(guān)系如圖4所示(圖中Qt、Pt為標(biāo)幺值)。

圖4 R/X及SCR變化引起的Qt、Pt變動Fig.4 Qt and Pt vs. R/X and SCR

由圖4可知，當(dāng)R/X及SCR值一定時，隨著DFIG輸出有功的減小，為了維持PCC電壓的穩(wěn)定性，所需DFIG的無功輸出容量增加。但當(dāng)前的無功功率控制策略并未充分發(fā)揮DFIG的無功能力，若電網(wǎng)所需無功超出DFIG無功輸出則導(dǎo)致PCC電壓降落。

2 DFIG輸出無功功率控制策略

針對上述問題，本文提出了一種改進(jìn)的DFIG輸出無功功率控制策略，以充分發(fā)揮DFIG自身的無功功率調(diào)節(jié)能力。由文獻(xiàn)[3-4]可知，DFIG具有一定的無功功率調(diào)節(jié)能力，并隨DFIG輸出有功功率的減小，其無功功率輸出能力增強。因此，針對DFIG發(fā)生SWITSC故障而引起的PCC電壓降落問題，利用DFIG盡可能地進(jìn)行無功功率補償是可行的。

圖5 變流器控制模式Fig.5 Control modes of converters

在上述控制策略中，網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)電流的反饋環(huán)節(jié)均采用PI控制器。通過將DFIG電流分解為相互解耦的無功、有功分量，對其進(jìn)行獨立、靈活的控制，進(jìn)而實現(xiàn)對無功、有功功率解耦控制。詳細(xì)的電流內(nèi)環(huán)控制如圖6所示。圖中，ug、ur為前饋補償量；Eg、Er為耦合補償量；kp、ki分別為比例和積分增益；s為轉(zhuǎn)差率。

圖6 電流內(nèi)環(huán)控制Fig.6 Current inner loop control

由于DFIG發(fā)生SWITSC故障會導(dǎo)致PCC電壓降低。為了維持PCC電壓穩(wěn)定性，所需無功功率根據(jù)式(1)推導(dǎo)得到。

(2)

由式(2)可知維持PCC電壓穩(wěn)定所需的無功功率Qt，若其小于DFIG所能發(fā)出的最大無功功率Qe-max，則兩側(cè)變流器之間的無功功率分配依據(jù)式(3)進(jìn)行；否則，兩側(cè)變流器之間的無功功率分配依據(jù)式(4)進(jìn)行。

(3)

(4)

其中，Qr-ref、Qg-ref分別為轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器的無功參考值；Qr-max、Qg-max分別為轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器所能提供的最大無功功率。

3 MATLAB/Simulink仿真驗證

3.1 系統(tǒng)仿真模型

含SWITSC故障風(fēng)機接入弱電網(wǎng)仿真模型的簡化電路如圖1所示。在MATLAB/Simulink中搭建上述模型，其中DFIG模型在MATLAB/Simulink環(huán)境下采用Level-2 S-函數(shù)模塊替代。

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真模型，分別從常規(guī)無功功率控制、不同SWITSC故障程度、不同電網(wǎng)強度、線路阻抗比4個方面驗證本文所提控制策略的有效性。

采用常規(guī)的無功功率控制策略時，PCC電壓波動較為顯著，如圖3所示。采用改進(jìn)的無功功率控制策略，當(dāng)風(fēng)機發(fā)生SWITSC故障時的仿真結(jié)果如圖7所示(縱軸為標(biāo)幺值，后同)。此時線路阻抗比為1，SCR值為10，短路匝數(shù)比為0.4。

圖7 采用改進(jìn)無功功率控制策略仿真結(jié)果Fig.7 Simulative results of improved reactive power control strategy

對比圖7、3中PCC處電壓并結(jié)合圖7中無功功率可知，改進(jìn)的無功功率控制策略可充分發(fā)揮DFIG的無功功率輸出能力，從而遏制PCC電壓的降落。

另外，根據(jù)圖7可知，在未發(fā)生SWITSC故障時，改進(jìn)的無功功率控制策略與常規(guī)的無功功率控制策略是等效的，這表明改進(jìn)的無功功率控制策略可以替代常規(guī)的無功功率控制策略。

由文獻(xiàn)[15]可知，隨著故障程度的增加，DFIG輸出的有功功率將進(jìn)一步降低，此時DFIG的最大輸出無功反而增加。因此針對不同SWITSC故障程度驗證上述改進(jìn)的無功功率控制策略是必要的。不同SWITSC故障程度下的仿真結(jié)果如圖8所示。與圖3、7不同，圖8是在R/X值為1、SCR值為10、短路匝數(shù)比為0.2情況下的仿真結(jié)果。由圖8中常規(guī)控制策略下PCC處電壓與圖3所示PCC處電壓對比可知，隨著SWITSC故障程度的增加，PCC電壓波動幅度變大。

圖8 改變SWITSC故障程度的仿真結(jié)果Fig.8 Simulative results of changing SWITSC fault degree

對比圖7、8中無功功率可知，SWITSC故障程度越大，DFIG的無功調(diào)節(jié)能力越強，與前文理論分析一致。另外，隨著DFIG的SWITSC故障嚴(yán)重程度增加，本文所提無功功率控制策略仍然可以有效地保證PCC電壓穩(wěn)定。

分析圖4可知，不同的線路阻抗比及電網(wǎng)強度會影響DFIG輸出的無功、有功功率。因此，研究含SWITSC故障的DFIG在不同R/X值及SCR值下對PCC電壓波動性的影響，并驗證本文所提控制策略對不同運行情況的適用性是必要的。相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖9、10所示。圖9是在SCR值為10、R/X值為0.25、短路匝數(shù)比為0.4情況下的仿真結(jié)果。由圖9中PCC處電壓可以看出，改進(jìn)的控制策略顯著緩解了PCC電壓降落。對比圖7、9中的無功功率可知，隨著R/X值減小，DFIG的無功輸出能力增強，DFIG自身發(fā)出的無功功率足夠維持PCC電壓的穩(wěn)定性。圖10是在SCR值為6、R/X值為1、短路匝數(shù)比為0.4情況下的仿真結(jié)果。從圖10可以看出，不同的SCR值也會影響風(fēng)機輸出的無功功率。但無論R/X值與SCR值在合理范圍內(nèi)如何變動，當(dāng)DFIG發(fā)生SWITSC故障時采用本文所提無功功率控制策略均可維持PCC電壓的穩(wěn)定。

圖9 改變阻抗比的仿真結(jié)果Fig.9 Simulative results of changing impedance ratio

圖10 改變電網(wǎng)強度的仿真結(jié)果Fig.10 Simulative results of changing strength of network

4 結(jié)語

針對接于弱電網(wǎng)的DFIG發(fā)生SWITSC故障引起的PCC電壓降落問題，提出了一種改進(jìn)的DFIG輸出無功功率控制策略。該控制策略充分發(fā)揮了DFIG的無功功率調(diào)節(jié)能力，在SWITSC故障情況下，可以有效遏制PCC電壓的降落，在正常情況下則與常規(guī)控制策略等效。仿真結(jié)果表明該控制策略是正確、有效的。

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